未来低轨信息网络发展与架构展望

王宁远 陈 东* 刘 亮 秦兆涛 梁冰苑

①(鹏城实验室 深圳 518055)

②(中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部 北京 100094)

1 引言

伴随人类进入太空和利用太空能力的不断提升，太空的内在价值及其对国家发展与安全的巨大作用日益凸显。作为高新技术最为集中的两大领域，航天与网络技术水平是一个国家经济实力、国防实力、综合国力的重要体现。未来低轨信息网络是由低地球轨道(Low-Earth-Orbit, LEO)卫星星座为主体的高性能空间信息处理及全球通信网络基础设施，通过新一代网络信息技术和空天科技前沿领域的结合，将带领太空成为全球信息网络和经济的重要支点。随着网络技术、网络应用不断发展，宽带通信逐渐融入各行各业，成为时代的“刚需”[1]。低轨信息网络可以实现宽带网络的全球无缝覆盖，同时相比现有的高轨卫星通信系统有着大容量、低时延的优势，具有广阔的应用前景。

低轨信息网络的网络架构是系统设计的基础，包括星座构型、网元划分以及网元间的连接关系3部分。目前，世界范围内以星链系统(Starlink)、一网系统(Oneweb)、光速系统(Lightspeed)[2]为代表的在建或在研系统仅公开了系统的空间段星座构型，而系统内部的网元划分及其连接关系属于商业机密，并无公开资料。另外，我国现有的高轨卫星通信系统为主的架构多为采用定制化体制、固定架构的专用网络，其架构难以适应低轨星座网络多业务类型承载的需求。因此，低轨信息网络需要更为灵活、可靠、通用化的网络架构以适应多业务、高质量的承载需求，同时能够应对卫星网络高动态、低可靠性、管理复杂等因素[3]。另外，技术的快速迭代发展也要求低轨信息网络具备持续演进的能力。

本文首先对国内外低轨星座网络的发展现状进行了概述，涉及网络空间、天地融合以及先进卫星3个领域，接着对近年来天基网络的愿景与发展趋势进行研判。在此基础上，提出与地面移动通信系统融合的软件定义全云化星座网络架构。基于软件定义网络(Software-Defined Network, SDN)与网络功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)技术实现网络架构的可编程性，并利用5G中网络功能抽象与解耦的思想以及去中心化的思想设计了全云化的网络架构，具有高抗毁、易于扩展、支持多业务承载与持续演进的特性。

2 低轨信息网络相关技术发展现状

2.1 空间网络领域

21世纪进入第2个10年，低轨星座在10余年的沉寂后进入第2次发展热潮。Starlink, Oneweb,Lightspeed等低轨巨型星座的出现为天基网络提供了全新选项，可通过几百至上万颗不等的卫星提供全球范围的低时延宽带接入以及超过高轨卫星的接入速率。以低轨巨型星座和混合网络架构为特征的网络呈现快速发展趋势，海量卫星通常分层部署在多个轨道高度，采用以低倾角星座为主、兼顾通过少量近极地轨道卫星实现全球覆盖的部署方式[4]。同时，星间链路的部署已十分普遍，特别是激光星间链路技术的发展极大提升了卫星之间数据交换能力[5]，使得低轨星座网络得以彻底独立于地面网络，实现海量数据的“不落地”传输。低轨信息网络由此正在实现从“天星地网”向全球通信、移动互联网等多功能复合的天地一体网络跃升。

低轨信息网络的高效信息传输离不开网络体制协议的支撑。空间网络发展至今，已形成了如IP协议上星(IP over Satellite, IPoS)、空间通信协议(Space Communications Protocol Specifications,SCPS)、时延容忍网络(Delay Tolerant Networks,DTN)等几类主流协议。TCP/IP协议体系起源于计算机网络。然而传统TCP协议难以适应较长时延、较高误码率的卫星信道，采用TCP性能增强代理的方式可以大大提高传输性能，然而打破了端到端传输原则，可能带来潜在的安全风险[6]。针对空间环境通信特点，国际空间数据系统咨询委员会基于TCP/IP针对空间通信中长时延、高误码等链路特性制定和开发了SCPS通信协议规范[7]，可针对空间信道特点提供端到端的数据传输。DTN[8]是一种适用于深空通信的通信架构，具有容忍延迟、中断的特性，通过引入束层并采用了存储转发机制和托管传输机制，以应对链路长延迟或频繁中断的通信环境，从而面对深空大时延、低可靠的场景时可保证传输稳定可达。

2.2 天地融合领域

伴随地面移动通信从第5代(5G)向第6代(6G)发展，以“非地面网络”(Non-Terrestrial Network,NTN)为代表的新型天地融合移动通信架构研究逐步深化。国际电信联盟(International Telecommunication Union, ITU)提出了卫星与5G融合的4类场景。第3代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)组织在5G网络设计之初就已将卫星接入纳入考虑，在R16非地面网络中定义了8个增强移动宽带场景和2个海量机器类通信场景，提出了支持非地面网络的空中接口方案，预计在R17版本完成第1阶段标准化工作[9]。欧洲5G卫星地面网络项目(Satellite and Terrestrial network for 5G, SaT5G)、韩国KT-SAT等公司基于宽带通信卫星实现了机载视频通信、混合5G回传及5G边缘云服务等演示[10,11]，联发科联合国际海事卫星组织完成了基于高轨卫星的5G物联网试验[12]。移动通信与卫星的结合已经成为全球卫星与网络跨界融合的热点，构建空天地海一体化网络已经成为6G白皮书及展望的重要共识。

基于空间网络的云网融合和智能技术应用正在逐步部署。亚马逊将其亚马逊网络服务(Amazon Web Services, AWS)与卫星地面站相结合，构建了全球卫星信息云服务，实现对海量对地观测数据的处理[13]。微软正在为航天工业扩展移动云计算数据中心服务，连接SpaceX公司的Starlink系统和SES公司的O3b互联网卫星[14]。美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)正在通过 Blackjack[15]项目支持空间智能处理在轨应用，实现任务自主调度。

以SDN与NFV技术为特征的天地融合网络正逐步被提出。SDN与NFV已被应用于地面5G网络，通过将转发与控制分离、硬件与软件解耦的理念，使5G网络具备开放可编程、灵活可扩展的特性[16]。Ferrús等人[17]以5G为背景，提出在卫星地面段中引入SDN/NFV技术，实现星地间网络资源管理能力和业务敏捷性的提升。Sheng等人[18]进一步将卫星也纳入SDN-NFV技术的范畴，通过NFV将卫星资源池化并由地面控制中心统一规划，再利用SDN的集中控制特性进行卫星-地面网络的全局最优配置。

2.3 先进卫星领域

通信技术发展带动了卫星技术进步。高轨高通量卫星通过Ku/Ka及更高频段已经可以实现Tbps量级的单星容量，用于提供大容量高灵活度的卫星网络接入服务。国际上，最新一代高轨高通量卫星Viasat-3即将在2022年进行部署[19]，我国也在2020年完成第2颗高轨高通量卫星亚太6D卫星的发射部署，实现了超过第5代海事卫星的服务能力。其中平台高承载与载荷灵活已经成为新一代高通量卫星的重要特征，先进相控阵天线和星上处理技术在欧洲量子通信卫星进行了商业化实践，并将在未来新型卫星中实现广泛应用。高通量通信技术在高轨卫星的成熟应用也加速了低轨卫星的宽带化进程。

激光星间通信技术同样极具前景，被视作低轨星座组网的基础。国际上，该技术已从试验阶段走向实用阶段，欧洲和日本正在部署激光星间链路数据中继卫星，小型化Gbps量级激光终端正在开展低轨试验验证[20]。Starlink已完成带有星间链路卫星的在轨验证，并表示将在后续组网卫星上搭载激光星间链路[21]。国内方面，实践十三号卫星已于2017年实现在40000 km的星地距离上进行高达5 Gbps的高速率通信，我国高轨技术试验卫星实践二十号于2019年的成功发射为下一代高通量卫星建设完成了技术验证。

3 低轨信息网络愿景与发展趋势

随着运载、卫星、通信、计算等技术的蓬勃发展，以低轨巨型星座为代表的低轨信息网络相比传统星座发生了深刻变化，呈现出星座巨型化、网络宽带化、星间组网化、应用多样化的特点。因此，传统的星座设计、协议体制等难以满足新型低轨信息网络的发展。本节对未来低轨信息网络的愿景与发展趋势进行分析。

3.1 低轨信息网络愿景

以航天强国、网络强国为牵引，以移动通信、互联网、物联网以及宽带专网等功能需求为驱动力，低轨信息网络的目标是形成全球覆盖、天地一体、多业务承载、持续演进、安全可控的天基通用信息网络基础设施，网络愿景如图1所示[1,22]。移动通信与移动互联网作为使人与人连接的基础功能，可实现全球任意两点之间、多点之间的宽带通信，以及具备高速率、低时延的互联网访问能力，使得信息与网络服务不再受到地域限制。不仅仅是个人互联网访问，全球宽带互联能力将大大促进教育医疗、文化娱乐、科考保障、抢险救灾等行业应用更远、更广、更深入的发展。物联网将人与人的通信扩展到人与物、物与物之间，通过低轨信息网络实现全球设备的智能协同，真正做到“万物互联”，为智慧城乡、环境监测、综合交通、公共安全、农林牧渔的信息化发展提供互联保障。不同行业、不同场景下用户对网络的服务能力需求差异较大，低轨信息网络可将其网络能力组织成为满足特定用户需求的宽带专网，并实现专网间的逻辑隔离，做到业务的高效灵活、安全可控传输，为国防、政企等行业赋能。

图1 低轨信息网络愿景

3.2 低轨信息网络发展趋势

(1)多业务承载的宽带网络。基于低轨信息网络愿景，未来低轨网络将不再是为某种特定应用服务的专用系统，而是面向多用户、多业务类型承载的天基通用网络基础设施。在此背景下，低轨网络的宽带化是实现以上需求的先决条件，也是目前低轨信息网络最为显著的特征之一。目前主流组网方案采用激光星间链路+微波星地链路的模式，Starlink, Lightspeed等星座都在其规划中采用了此类方案。激光通信技术具有抗干扰能力强、传输速率高等技术优势，且星间的空间环境规避了大气湍流、云层遮挡等不利因素，其特点与空间高速信息传输的需求相契合。另外，空间激光通信载荷具备体积小、质量轻、功耗低等工程优势，适合小型LEO卫星搭载。而在空间微波通信方面，Ku/Ka频段通信技术已十分成熟，并逐步向着Q/V、毫米波等更高频段发展[23]。以上两方面为低轨信息网络的宽带化组网奠定了硬件基础，随着技术的进一步发展，可期待将天基网络带宽再提升一到两个数量级。

(2)网络的软件定义。多业务承载对低轨信息网络的业务灵活部署能力提出了很高的要求，因此需要网络具备较强的可编程性，特别是网络架构的可编程性。对于这一点，软件定义网络的灵活可编程特点可以很好地适应未来低轨信息网络的网络在轨重构、架构在轨重构以及业务灵活部署要求，实现有限资源的最大化利用[24]。SDN将网络的控制功能从逻辑上集中到SDN控制器，从而获得了对全网资源实时管理、全局规划、灵活调配的能力。与此同时，NFV的思路将底层的网络能力通用化，将网元由特定设备抽象为虚拟的服务能力，使服务与具体设备解耦，为资源的灵活调配奠定基础。

(3)星地的融合。地面移动通信网络的覆盖范围基本涵盖了人口密集地区。然而在海洋、沙漠、山地等地区，基站的部署与维护成本很高，难以进行全面覆盖。相反，低轨信息网络拥有广域覆盖的优势，同时容量分布过于平均，热点地区服务能力不足的问题也十分明显。因此从服务特性来看，地面移动通信网络与低轨信息网络各有所长，互为补充。从架构角度出发，与5G的融合将重新定义卫星通信网络架构，使其具备网元功能抽象化、灵活部署的特点，从而针对承载的不同业务按需部署网元。同时，与5G融合的低轨星座网络将拥有对地面现有网络的前向与后向兼容性，使卫星网络可随地面移动通信网络共同演进[25]。

(4)云智能集成。未来低轨信息网络巨大的卫星数量给系统的管理及应用带来很多挑战。运行管理方面，目前对每颗卫星进行单独测控的方式过于繁琐，在大规模星座下数据量急剧上升，人力难以完成，且缺乏对网络整体把控的能力。系统应用方面，随着网元的模块化，星座信息传输、任务与网元编排、多星协同等多模块协作任务都面临大量的组合优化问题。因此，未来低轨信息网络需要智能化手段实现大量卫星的管控、网络业务的编排、故障诊断等系统运行管理功能。而智能所需要的强大的计算与存储能力离不开云的支撑。计算云与存储云的加入大大补充了低轨卫星所短缺的计算与存储能力，同时依托于低轨星座网络的大容量、低时延通信与NFV的虚拟化技术，可实现“本地数据-全球计算-本地应用”的去中心化服务模式，提升网络的鲁棒性与可扩展性。

4 软件定义全云化星座网络架构

4.1 设计理念

基于上述的低轨星座网络愿景与发展趋势，本节相应地提出了基于卫星5G融合技术与SDN+NFV技术的“全云化”网络架构，如图2、图3所示。架构设计理念如下：

图2 软件定义星座网络系统示意图

图3 软件定义星座网络架构

(2)网络功能抽象化与解耦。为实现资源的高效利用以及网络的可扩展性，需要将星座网络中的接入、传输、计算、存储、核心网等功能抽象为服务能力，且各能力间逻辑解耦，彼此之间通过逻辑接口调用，形成自治的功能云。根据软件定义思想，将功能云的内部划分为控制平面与业务平面。对内，控制平面对本功能云的池化资源进行管理与编排，形成灵活高效的服务能力；对外，控制平面通过5G服务化架构与其他功能云的控制平面互联，通过开放的应用程序接口(Application Programming Interface, API)对业务以及其他功能云提供保障服务质量(Quality of Service, QoS)的服务。

(3)实体去中心化与逻辑集中。作为天基网络基础设施，低轨信息网络的可靠运行不能寄希望于1台或少数几台设备的正常运转。而软件定义架构下的控制平面通常部署于实体控制器中，这使得网络面临单点故障风险。因此，本架构中各个功能云均采用逻辑集中但实体分散的分布式架构，各实体间通过低轨星座网络相互连接。网络的控制平面可以部署于任意一台经过鉴权且具备相应能力的接入设备，甚至可以按不同功能分散部署于多台设备，实现“逻辑有中心，物理无中心”，确保网络的鲁棒性。通过在星座网络承载云协议中加入互联保障层，实现接入设备与卫星网络间的移动性屏蔽，以及提供保障传输可靠性的端到端控制平面隧道连接，为5G服务化架构提供底层互联基础。

4.2 架构的实体组成

软件定义低轨星座网络从实体组成上可以分为空间段、地面段、用户段3部分，如图2所示。借鉴5G网络的“三朵云”网络架构[16]，网络采用了基于软件定义(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)的全云化架构，将网络的承载、接入、计算、存储等功能进行虚拟化，并由逻辑集中的控制平面统一管控。系统各组成详细描述如下。

(1)空间段。系统空间段由低轨卫星星座、星间链路及星地链路构成，3者构成具有按需接入、QoS路由、灵活组网等能力的接入云与承载云，形成内部拓扑对用户及其他功能云不可见的虚拟化服务黑盒。从用户角度出发，由于低轨星座网络卫星数量庞大，呈现出多层网状网络的特点，且处于持续的运动中，用户往往不能观察到网络在时-空-频中的全貌，从而难以判断如何选星、接入、路由以满足业务的服务质量要求。从网络运行角度出发，低轨星座网络虽然有着惊人的总接入带宽与总网络容量，却有着较低的容量密度，且由于业务需求在时间、空间的不均匀性，极易发生严重的局部拥塞，造成网络利用率低下。接入与承载的云化可将底层的接入、路由、资源管理等操作对用户屏蔽，由网络控制平面集中配置，对外仅提供满足服务质量的业务接口，简化服务复杂性。同时，由软件定义技术带来的集中控制能力可以实现全网资源的统一调配与管理，做到星座资源的最大化利用。

云化的空间段以低轨卫星星座为实体，星座构型通常由Walker星座描述，包括Walker-Star和Walker-Delta两类构型。依据各自特点，前者重点考虑实现包含两极的全球信号覆盖，后者则重点考虑为业务密集地区提供更大的接入容量与网络容量。此外，超大带宽的星间、星地传输能力是空间段云化的基础。卫星间采用激光星间链路彼此连接，卫星对地采用Ka, Q/V甚至更高频段的微波链路。

(2)地面段。软件定义星座网络的地面段由分布于全球各地的地面信关站和计算存储设备构成，后者通过前者接入卫星网络。地面信关站可通过Ka, Q/V波束接入卫星网络，且认为单个信关站可通过多个波束接入可视仰角范围内的多颗卫星。从功能上划分，地面段包括核心网云、计算云、存储云3个功能云，以及卫星网络与外部网络的接口。其中功能云均通过虚拟化手段部署于通用化的计算存储设备中，而无需建设专用设施，从而实现功能的可迁移性与去中心化。

④布井方案，根据抽水试验成果及论证范围内现有开采井实际开采情况确定设计单井涌水量，并根据设计单井涌水量及作物最大灌水定额计算单井控制规模，提出布井方案，计算影响半径，分析抽水是否产生干扰。

位于地面段的核心网云继承于5G核心网，是低轨星座与地面移动通信网络融合架构的核心。核心网云通过信关站实现与卫星网络的连接，其中的虚拟网元按需部署于连接到信关站的通用计算存储设备之中，位于不同实体的网元通过星座网络进行交互。由于虚拟网元可以在任意网络通用设备上生成、释放与迁移，因此具有较强的可扩展性及抗毁性。核心网云主要承担用户及业务的管理功能，以先进的地面移动通信核心网为基础，具备与现有网络的天然兼容性，可轻松实现与已有网络的高效互联互通，同时实现卫星网络与地面网络的共同演进，为将来6G系统中全网多域融合发展奠定基础。

地面段的另一大特点为全云化的计算与存储。由于当前低轨卫星星上计算存储资源不足，因此采用星上转发+地面计算存储的方式协同完成网络的云智能集成。计算方面，由于星上计算资源受限，卫星网络通过接入分布于全球各地的计算资源，实现对星座网络的计算能力扩展。当空间段面临大计算量任务时，卫星可就近对地面计算资源进行请求调用，地面完成计算后将结果返回至对应卫星。此外，卫星网络还可利用其全球覆盖、大带宽、低时延的优势，将全球接入的计算资源进行连接与整合，实现高度可扩展的云计算功能。存储方面，低轨星座网络数据具有显著的本地化特征，且数据量大、调用频繁。由于低轨星座卫星与地面频繁切换，伴随着大量数据的反复转移，占用有限的星间链路资源，因此存储功能不适合星上实现。由此，软件定义星座网络采用在应用区域附近设置边缘存储云的方式，通过卫星网络进行数据的访问，以尽可能少的跳数实现数据的上传及下载，降低访问时延的同时节约链路资源。

值得一提的是，由于目前卫星星上计算资源不足[26]，因此考虑将核心网云与计算云部署于地面。随着空间技术的不断发展，当算力满足需求时，核心网云与计算云也可以分布地部署于星上，进一步降低控制平面时延，同时提高星座自主运行程度。对于存储云，由于低轨星座网络与地面频繁切换的特点，仅考虑将星座网络自身信息存储于星上，以实现星座不依赖地面的自主运行。而用户、业务相关信息则存储于地面边缘存储云。

(3)用户段。系统的用户段由各类卫星终端组成。卫星终端的种类包括星载、机载终端、企业终端、个人终端、中继终端等。值得一提的是，由于星座的宽带化需求，星地链路采用Ka,Q/V等高频信号。由电磁波自由空间传输损耗可知，路径损耗与频率的平方成正比，因此需要尽可能地提升天线增益使星地通信等效全向辐射功率(Effective Isotropic Radiated Power, ERIP)满足需求。相控阵天线在星地链路的应用可以实现窄波束的精准指向，实现高增益；同时波束数量及切换的灵活性均大大提升，可以同时实现多颗卫星的迅速接入。然而，这一方案导致手机、个人计算机等终端由于尺寸限制难以配备相控阵天线，其配备的全向天线难以与卫星直接通信，因此需要各种类型的卫星终端进行中继。常用的中继方式包括通过信号塔进行区域中继、通过无人机进行移动中继等。终端的接入、选星、波束分配由控制平面统一管理，终端只对控制平面分配给自身的网络资源可见。终端对外部网络的访问同样需要经过控制平面授权，再通过控制平面分配的网络资源由卫星网络直接连接至距离最近的外部网络接口。

4.3 网络架构

全云化的软件定义低轨星座网络系统架构如图3所示。架构采用全云化设计，将系统依照网络功能分为5类功能云：核心网云、接入云、承载云、计算云和存储云。功能云内采用业务与控制分离、集中控制的软件定义化架构，每个功能云分为控制平面和业务平面。控制平面采用基于服务的架构，不同网络功能的控制平面通过5G服务化架构(HTTP REST等协议)相互连接，并通过API访问的形式获取所需的服务，形成逻辑集中的“控制云”。业务平面方面，各功能云内采用虚拟化技术，将连接到网络的波束、频率、带宽、计算、存储等资源进行虚拟化并加以编排，由控制平面进行调用。网络的管理平面在控制云之上，作为控制云的北向API，管理维护上层应用对下层网络功能的调用。

核心网云负责低轨星座网络用户与业务的管理，包括接入鉴权、会话管理、信息管理、移动性管理、计费、网络切片管理、与其他网络互联互通等功能。同时，核心网作为业务开展的核心，起到总领、协同其他功能云共同满足用户需求的作用。核心网云获取用户接入、会话、信息等业务请求，对业务进行分解，并通过服务化API接口调用相应网络功能。例如，将星地接入部分交由接入云完成，将星间网络端到端路由交由承载云完成，将用户身份、位置等信息存储交由存储云完成，将复杂计算、网络切片编排交由计算云完成等。

接入云负责星座与地面站、终端之间的连接管理，包括波束调度、地面站/终端选星、频谱资源调配等功能。由于频谱、波束资源具有地域性，因此根据业务所在地区，设置边缘集中控制模块，将该分区上方卫星、频率、波束等资源进行集中管理，再由分布式控制器或系统级接入控制器集中调度，实现星地灵活高效接入。

承载云是实现低轨星座网络互联、高效可靠传输和端到端服务质量保证的功能云，更是起到将不同功能云之间在物理上连接起来的作用。承载云控制面获取从核心网云输入的路由信息，包括起始卫星、目的卫星、时延带宽QoS需求等参数，通过其控制平面计算路由路径(可调用计算云)，并将结果下发至相关卫星。同时，承载云利用分段路由(Segment Routing, SR)、虚拟局域网(Virtual Local Area Network, VLAN)、区分服务(Differentiated Service, DiffServ)、路径保护等技术途径实现具有QoS保障的端到端路由。

计算云与存储云为网络提供海量计算与存储能力，赋能系统的网络意图驱动、网络智能化接入、全网高效QoS路由编排等高计算能力需求功能，以及本地化用户注册、位置管理、边缘内容分发等高存储能力需求功能。计算云与存储云首先通过NFV手段将计算与存储资源和硬件设备解耦，资源统一由编排模块管理；再根据核心网云提出的需求由边缘控制器或系统级接入控制器集中调度，计算结果或数据请求由卫星网络回传至请求方。

全云化的网络架构设计具备以下优势：

(1) 可靠性优势。虚拟化技术可以通过将网络底层资源抽象为逻辑上的功能，使网络功能不依赖于特定底层设备，同时具备可迁移性。以虚拟化为基础，功能网元可实现物理上的去中心化，即将网元迁移或备份至任意地点符合要求的物理设备中，并通过低轨星座接入网络，避免出现因单台设备故障而造成网络功能缺失。

(2) 业务灵活承载优势。网元的虚拟化与云化使其可以按需部署于任意满足要求的白盒设备，由此可根据业务需求对各网云，尤其是核心网云的网元功能进行按需架构与剪裁，实现网络架构的可编程。因此，网络可根据承载业务类型灵活进行网络架构部署，使网络满足现有甚至未来的多类型业务承载需求。

(3) 可扩展性优势。网络架构与地面移动通信网络相融合，逻辑上采用5G服务化架构连接各网元，物理上采用低轨卫星网络连接地面段及用户段各实体。一方面，新的网元可通过接入服务化架构成为网络的一部分，实现服务能力上的可扩展；另一方面，低轨信息网络也会随着地面移动通信网络一同演进，从软件层面完成功能、服务的新旧交替，实现技术上的可扩展。

4.4 全云化的互联保障

低轨星座网络通过建立互联保障层将网络底层资源无缝连接在一起，形成网络的功能云，如图4所示。由于架构采用去中心化设计，网络的底层接入、计算、存储等资源可分布于全球各地，因此需要低轨星座网络将其互联并整合为抽象的网络功能。然而，相比于地面网络，低轨星座的高动态性与低可靠性给数据的高效交互带来很大挑战。

图4 互联保障层示意图

互联保障层是底层资源与上层功能间的铰链层，同时是卫星网络全云化的重要手段。其主要作用为对上层屏蔽网络底层的移动性，并为底层虚拟化资源之间提供具有可靠性保障的端到端连接，从而保障控制平面网元对全球任意位置业务平面网元的实时控制。

在移动性屏蔽方面，采用身份位置分离的网络编址方法，并在网络设备ID与其地理位置间建立映射，使路由仅在位置与位置之间进行，从而屏蔽了网络的移动性。在业务端到端传输方面，采用面向连接的L2VPN/L3VPN路由实现网络设备间的按需专线连接。通过部署多条不同路由路径的备用连接，并采用双向转发检测(BFD)的路径心跳监测手段实时监测路径连接状态，实现亚秒级的故障发现及备份倒换。在控制平面信令可靠传输方面，采用基于双层SDN(DLSDN)的带内控制技术[3]，上层控制模块在控制器和业务平面网元之间维护若干条端到端的带内控制路径，从而对下层控制器屏蔽网络拓扑变化；而下层控制模块利用上层控制模块提供的控制路径作为“管道”和业务平面网元交互控制信令。通过上述手段，互联保障层可以屏蔽卫星网络底层的拓扑变化，在各虚拟化网元之间提供稳定可靠的逻辑连接。

4.5 基于意图驱动的网络自主管理

由于低轨信息网络多节点、多用户、多业务类型的特点，传统基于人工的配置难以实现网络的高效管理。因此，未来低轨星座网络需要基于意图驱动的智能化管理手段对网络进行自动化管理，将人从运行管理的环路中解放出来。

网络的意图驱动能力位于网络的管理平面，是网络操作系统功能的一部分。意图驱动由意图感知、策略制定与策略执行3个步骤组成，如图5所示。首先，感知模块收集并感知全网的意图，并将模糊的意图明确为具体的功能要求或指标需求。意图的来源包含但不限于新业务的部署、网络运行管理、底层的资源编排与优化等。其次，策略制定模块将功能要求或指标要求转化为可实施的具体策略，并通过意图的优先级对策略的实施进行全局编排，使得尽可能多的意图得到满足。最后，策略执行模块将制定好的策略下发到对应的功能云加以执行。可见，未来由意图驱动的网络可以实现网络的全流程自主管理，而人只需要进行关键的决策即可，极大提升网络的运行管理效率。

图5 低轨信息网络意图驱动示意图

5 未来低轨信息网络技术：挑战与展望

尽管低轨星座网络的去中心化与软件定义化是大势所趋，但从近期来看架构的实施仍面临技术上的较大挑战。尤其是目前空间网络虚拟化、灵活组网、智能化、资源管理等技术尚不具备支撑全云化与去中心化的能力，卫星平台及载荷技术的差距也制约了网络与智能新技术应用。因此本文对需要面对的技术挑战进行了初步的列举。

星座网络云化控制平面技术。控制平面是软件定义低轨星座网络高效运行的核心所在，需要在低轨星座的高动态、多业务、大连接场景下对网络资源进行实时监控与动态调配，保障服务质量的同时提高网络的利用率。同时根据网络去中心化需求，控制平面同样需要实现云化部署。由此，需要重点关注：星座接入网、承载网云化技术，网络功能快速迁移技术，网络互联保障技术，分布式控制平面技术等。

高性能分布式智能云脑技术。云智能集成是实现高可靠敏捷空间信息体系的重要基础，利用部署于天、空、地的分布式高性能计算与智能处理技术，实现空间多节点计算、存储资源弹性一体化管理与调度，实现在线数据处理生成，支持空间信息服务能力创新。需要关注：分布式灵活智能云脑技术、面向服务的网络计算通信存储多维协同技术、意图驱动的自动化网络运行管理技术。

灵活甚高通量星地通信技术。采用多点波束和频率复用的高通量卫星已经成为推动卫星互联网行业发展的变革技术。随着互联网应用的发展，面向卫星与地面通信的深度融合，市场对卫星通信提出了更快速率、更大容量和更高性价比的需求，Tbps量级的甚高通量通信卫星是未来空间网络化发展的重要趋势，因此需要关注毫米波乃至太赫兹频段应用于星地链路的可能性。

甚高速率星间激光通信与处理交换技术。高速激光通信是未来空间网络高速组网的核心技术基础。未来低轨信息网络发展要求更高通信速率、更小星载终端规模和全新的在轨光处理与交换。因此需要突破：Tbps以上小型化星间激光终端技术、星载抗辐照大规模光处理技术、高动态星间激光链路捕获与跟踪技术等。

在轨可重构的网络化卫星技术。由于卫星更新换代速度远远慢于新业务需求的出现速度及通信、网络技术演进速度，卫星的在轨重构是实现全业务承载与持续演进的必要条件。承载、计算、存储的云化部署也要求卫星提供可虚拟化的通用硬件平台，可通过网络进行业务部署、软件更新及资源调配。因此需要突破：星上处理交换载荷白盒化技术、处理交换载荷高容错技术、星上资源池化技术等。

6 结论

正值这千星万星齐晖的“大航天时代”，低轨系统的发展引发了未来的天基网络形态质的变化，为发展太空网络带来了新的机遇与挑战。在此背景下，本文从空间网络、天地融合以及先进卫星3个领域对发展现状进行了概述，提出了低轨信息网络的愿景，并将网络发展趋势归纳为多业务承载、软件定义、星地融合和云智能集成4方面。基于这一趋势，本文对未来低轨星座网络的组网架构进行了畅想，基于网络架构可编程、网络功能抽象解耦以及实体去中心化3大设计理念，提出了全云化的软件定义低轨星座网络架构。该架构通过将接入、传输、计算、存储资源虚拟化形成便于调配的业务平面，并通过互联保障层提供屏蔽移动性、保障可靠性与QoS的逻辑连接，以方便集中控制或功能云间的相互调用，使资源实体做到物理分散而逻辑集中；由灵活部署的核心网功能与各功能云的集中控制模块构成逻辑集中的控制平面，统筹各个功能云子层资源，形成服务能力；最终由意图驱动的管理平面进行网络意图感知，并完成资源分配策略的制定与执行，形成网络的自动化管理能力。最后，本文对未来低轨信息网络进行了展望，列举了实现全云化星座网络架构需重点关注的网络与卫星关键技术。